Az Univerzum egy csodálatos és furcsa hely, megmagyarázhatatlan jelenségekkel tele. Az egyik ilyen jelenség, a fekete lyuk információs paradoxona, úgy tűnik, sérti a fizika alapvető törvényét.
A fekete lyuk eseményhorizontját tekintjük az utolsó határnak: ha egyszer túlmutatunk rajta, semmi sem hagyhatja el a fekete lyukat, még a fény sem. De ez vonatkozik-e az információra mint olyanra? El fog veszni örökre a fekete lyukba, mint minden más?
Mindenekelőtt meg kell értenünk, hogy a fekete lyukak paradoxonja nem kapcsolódik ahhoz, hogy hogyan vagyunk szokva az információk érzékeléséhez. Amikor egy könyvben kinyomtatott szavakra, a számítógépes fájl bitjeinek és bájtjainak számára, vagy a rendszert alkotó részecskék konfigurációjára és kvantumjellemzőire gondolunk, az információnak az a teljes sorozatát gondoljuk, amelyre szükségünk van valami újból történő létrehozásához.
Az információ e hagyományos meghatározása azonban nem olyan közvetlen fizikai tulajdonság, amelyet meg lehet mérni vagy kiszámítani, mint például a hőmérséklettel. Számunkra szerencsére van egy fizikai tulajdonság, amelyet az információval egyenértékűnek definiálhatunk - az entrópia. Ahelyett, hogy az entrópiára, mint a rendellenesség mértékére gondolnánk, úgy kell gondolnunk, mint „hiányzó” információra, amely a rendszer konkrét mikrosztatikus állapotának meghatározásához szükséges.
Amikor egy fekete lyuk felszívja a tömeget, az anyag entrópiájának mértékét annak fizikai tulajdonságai határozzák meg. A fekete lyukon belül azonban csak olyan tulajdonságok számítanak, mint a tömeg, a töltés és a szögmozgás. A termodinamika második törvényének megőrzése érdekében ez komoly problémát jelent / & copy; NASA / CXC / M. WEISS Amikor egy fekete lyuk felszívja a tömeget, az anyag entrópiájának mennyiségét annak fizikai tulajdonságai határozzák meg. A fekete lyukon belül azonban csak olyan tulajdonságok számítanak, mint a tömeg, a töltés és a szögmozgás. Ez komoly problémát jelent a termodinamika második törvényének megőrzése szempontjából.
Vannak bizonyos szabályok az univerzumban, amelyeket az entrópiának követnie kell. A termodinamika második törvényét nevezhetjük a legsemmisíthetetlenebbnek: vegyen be bármilyen rendszert, ne engedjen semmit be, vagy hagyja el - és entrópiája soha nem fog hirtelen csökkenni.
A törött tojás nem gyűlik vissza a héjába, a meleg víz soha nem válik szét hideg és meleg részekre, és a hamu soha nem gyűlik össze annak a tárgynak a formájával, amely az égés előtt volt. Mindez példa a csökkenő entrópiára, és természetesen semmi ilyen nem történik meg a természetben önmagában. Az entrópia változatlan maradhat, és a legtöbb esetben növekedhet, de soha nem térhet vissza alacsonyabb állapotba.
Az entrópia mesterséges csökkentésének egyetlen módja az energia bevezetése a rendszerbe, ezáltal "megtévesztve" a termodinamika második törvényét, és ezzel a rendszerrel szembeni entrópiát nagyobb értéken növelve, mint ebben a rendszerben csökken. A ház takarítása remek példa. Más szavakkal, nem szabadulhat meg az entrópiától.
Promóciós videó:
Mi történik, ha egy fekete lyuk az anyagból táplálkozik? Képzeljük el, hogy egy könyvet dobunk egy fekete lyukba. Az egyetlen tulajdonság, amelyet egy fekete lyuknak tulajdoníthatunk, meglehetősen hétköznapi: tömeg, töltés és szögmozgás. A könyv információkat tartalmaz, de ha fekete lyukba dobja, akkor csak növeli a tömegét. Kezdetben, amikor a tudósok elkezdték tanulmányozni ezt a problémát, azt hitték, hogy a fekete lyuk entrópiája nulla. De ha ez lenne a helyzet, valami fekete lyukba kerülése mindig megsértené a termodinamika második törvényét. Ami természetesen lehetetlen.
A fekete lyuk tömege az egyetlen meghatározó tényező az eseményhorizont sugárjában egy nem forgó, elkülönített fekete lyuk számára. Sokáig azt hitték, hogy a fekete lyukak statikus tárgyak az univerzum téridőjében.
De hogyan számolhatja ki a fekete lyuk entrópiáját?
Ez az ötlet John Wheelerre vezethető vissza, gondolkodva azon, hogy mi történik egy objektummal, amikor egy fekete lyukba esik az esemény horizontjától távol eső megfigyelő szempontjából. Nagy távolságból úgy tűnik, hogy egy fekete lyukba eső személy aszimptotikusan közeledik az eseményhorizonthoz, egyre inkább elpirul a gravitációs vöröseltolódás miatt, és végtelenül hosszú távra halad a horizont felé a relativista időtágulás hatása miatt. Így a fekete lyukba eső dolgokból származó információk „titkosítva” maradnak a felszínén.
Ez elegánsan oldja meg a problémát, és ésszerűnek tűnik. Amikor valami fekete lyukba esik, tömege növekszik. A tömeg növekedésével a sugara és ezzel a felület is növekszik. Minél nagyobb a felület, annál több információ rejtjelezhető.
Ez azt jelenti, hogy a fekete lyuk entrópiája egyáltalán nem nulla, hanem éppen ellenkezőleg - hatalmas. Annak ellenére, hogy az eseményhorizont viszonylag kicsi a világegyetem méretéhez képest, egy kvantumbit rögzítéséhez szükséges hely kevés, ami azt jelenti, hogy hihetetlen mennyiségű információ rögzíthető egy fekete lyuk felületére. Az entrópia növekszik, az információ megmarad és a termodinamika törvényei megmaradnak. Eloszlathat, ugye?
Az eseményhorizont felületével arányos információs bitek kódolhatók egy fekete lyuk felületére.
Nem igazán. A lényeg az, hogy ha a fekete lyukak entrópiát mutatnak, akkor azok hőmérséklete is legyen. Mint minden más, hőmérsékletű tárgyhoz, a sugárzásnak tőlük kell származnia.
Amint azt Stephen Hawking bizonyította, a fekete lyukak egy adott spektrumban (egy fekete test spektruma) és egy meghatározott hőmérsékleten bocsátanak ki sugárzást, amelyet a fekete lyuk tömege határoz meg. Idővel ez az energia sugárzás a fekete lyuk révén tömegének elvesztéséhez vezet, a híres Einstein-egyenlet szerint: E = mc ^ 2. Ha energiát bocsátanak ki, akkor annak valahonnan kell származnia, és hogy „valahol” maga a fekete lyuk legyen. Az idő múlásával a fekete lyuk gyorsabban és gyorsabban elveszíti tömegét, és egy ponton - a távoli jövőben - egy fényes fényvisszaverődés során teljesen elpárolog.
De ha egy fekete lyuk elpárolog a fekete test sugárzásában, amelyet csak a tömege határoz meg, akkor mi történik az esemény horizontján rögzített összes információval és entrópiával? Végül is nem pusztíthatja el ezeket az információkat?
Ez a fekete lyukkal kapcsolatos információs paradoxon gyökere. A fekete lyuknak nagy entrópiával kell rendelkeznie, amely tartalmazza az összes információt arról, ami létrehozta. A leeső tárgyakkal kapcsolatos információkat az eseményhorizont felületén rögzítik. De amikor egy fekete lyuk Hawking sugárzás révén lebomlik, az eseményhorizont eltűnik, és csak a sugárzás marad hátra. Ez a sugárzás, amint azt a tudósok sugallják, csak a fekete lyuk tömegétől függ.
Képzelje el, hogy két könyvünk van - az abszolút ostobaságról és a "Monte Cristo grófjáról" -, amelyek különböző mennyiségű információt tartalmaznak, de tömegükben azonosak. Azonos fekete lyukakba dobjuk őket, ahonnan várhatóan egyenértékű Hawking sugárzást kapnak. Külső megfigyelő számára minden úgy néz ki, mintha az információt megsemmisítik, és tekintettel az entrópiáról tudtunkra, ez lehetetlen, mivel sértené a termodinamika második törvényét.
Ha ezt a két, azonos méretű könyvet elégetjük, akkor a molekuláris szerkezet változásai, a betűk sorrendje a papíron és más apró különbségek olyan információkat tartalmaznak, amelyekkel rekonstruálhatjuk a könyvekben szereplő információkat. Lehet, hogy teljes rendetlenség, de önmagában nem megy oda. Mindazonáltal a fekete lyukak információs paradoxona valódi probléma. Amint a fekete lyuk elpárolog, ennek az ősi információnak a nyomai nem maradnak megfigyelhető világegyetemben.
A fekete lyuk szimulált elbomlása nemcsak a sugárzás kibocsátásához vezet, hanem a központi forgó tömeg romlásához is, amely a legtöbb tárgyat stabilként tartja fenn. A fekete lyukak nem statikus tárgyak, amelyek idővel változnak. Azonban az eseményhorizonton a különböző anyagokból kialakított fekete lyukaknak eltérő információkat kell tárolniuk.
Talán még nincs megoldás erre a paradoxonra, és komoly problémát jelent a fizika számára. Ennek ellenére a lehetséges megoldásnak két lehetősége van:
1. Az információ teljesen megsemmisül egy fekete lyuk párolgása során, ami azt jelenti, hogy új fizikai törvények kapcsolódnak ehhez a folyamathoz.
2. A kibocsátott sugárzás valamilyen módon tartalmazza ezt az információt, ezért a Hawking-sugárzás valami több, mint amit a tudomány ismert.
A probléma megoldásán dolgozó emberek többsége úgy véli, hogy a fekete lyuk felületén tárolt információnak valamilyen módon be kell nyomnia a kimenő sugárzásba. Senki sem tudja pontosan, hogy ez hogyan történik. Talán a fekete lyuk felületén található információ kvantumkorrekciókat vezet be a Hawking-sugárzás kizárólag termikus állapotára? Talán, de ez még nem bizonyított. Manapság számos hipotetikus megoldás van erre a paradoxonra, de egyiket sem erősítették meg.
A fekete lyukak információs paradoxonja nem függ attól, hogy a kvantum-univerzum természete determinisztikus vagy nem-determinisztikus - mely kvantumértelmezést részesíti előnyben, vajon vannak-e rejtett változók és a valóság természetének sok más szempontja. És bár sok javasolt megoldás magában foglalja a holografikus elvet, még nem ismert, hogy szerepet játszik-e a paradoxon végső megoldásában.
Vladimir Guillen
